神奇的電學 電學小課堂：一個視頻讓你徹底認識伺服電機。

發明天才的人真是個伺服電機 經常手搓飛機的老鐵都知道 作爲整個操控系統的控制單元 伺服電機絕對是最核心的電子元件 那它到底是個什麼玩意兒呢 簡單來說 它是一種由直流電機 控制板 加機械齒輪組組成的輔合電機 作用是將電能轉化爲機械能 它不但能精準控制旋轉角度 並且通過搭配不同的旋轉附件 還能實現各種各樣的運動模式 伺服電機需要使用控制器 來控制它的旋轉位置 多個組合可實現機器人手臂操控 遙控車轉向 甚至是紅外雷達的掃描定位 衆所周知 普通電機接上電源後 只會持續旋轉 但伺服電機在通電後並不會轉 它需要先接收信號 然後再告知電機 應該精準旋轉多少角度 通常情況下 伺服電機的最大旋轉角度只有180度 我們稱其爲B環類型 它內部存在一個限位銷釘 作用就是限制電機的旋轉角度 但也有一些伺服電機沒有這個銷釘 它能夠完整旋轉360度 這種就被稱作開環類型 在實際的使用過程中 B環結構可以更好的控制電機角度 所以這種類型用的更多 在伺服電機的標籤上 通常都會標註一個質量數值 但這裏指的可不是電機的重量 而是代表了電機的扭矩 通俗講就是它能夠提供多大的力 譬如眼前這個小電機 它的額定值爲9克 而左邊較大的電機 其額定值高達25公斤 這些數字都代表伺服電機能夠提供的力的大小 單位常用公斤每釐米 或者盎司每英寸來表示 我們拿這個額定值25公斤的伺服電機舉例 它代表在軸心距離1釐米的孔位 可以支撐25公斤的重量 但在2釐米處就會降低爲一半 即12.5公斤 3釐米處再降低一半 便爲6.25公斤 在伺服電機的參數表上 我們能看到更多的信息 比如它的工作電壓爲4.8V到7.2V 當你輸入越高的電壓時 電機所釋放的扭矩就越大 力量也就越強 但電機本身也是有極限的 如果超過額定值它將會失速 此時你會發現電路中的電流會急速增加 電機的工作電流取決於工作負載和輸入電壓 幹活時消耗功率大 而偷懶時則幾乎不消耗能量 最後是轉速 輸入電壓越高 電機轉得越快 我們可以通過每旋轉60度所需的時間 來衡量它的轉速 伺服電機的個頭 會隨着扭矩額定值的增加而增大 畢竟它肚子裏要能容下更大的齒輪組和電機纔行 接下來咱們詳細剖析一下伺服電機的結構 首先看到的就是保護外殼和一組從側面進入的連接導線 其中紅色爲電源線 棕色爲地線 橙色則是脈衝寬度調製信號線 點稱PWM信號線 在電機的頂部有一個小型花劍齒輪 我們可以通過這個齒輪連接各種附件來輸出旋轉運動 拆開頂部外殼 你會看到非常多的組合齒輪 這些齒輪由軸承支撐 其中頂部爲輸出端 底部爲輸入端 輸入端會和機體內部的一個直流電機連接 以作爲齒輪的動力來源 這種多個齒輪的組合我們稱之爲輔合齒輪組 其優點就是設計緊湊 佔用空間小 我們都知道 電機具有高轉速但低扭矩的特點 而這裏齒輪組的作用 就是要將其轉換爲低轉速但高扭矩的輸出 拿眼前這個電機來說 直流電機上自帶一個11尺的小齒輪 隨後依次連接61尺 12尺 48尺 13尺 最終由一個42尺的齒輪完成輸出 在這個例子中 我們假設直流電機的輸入轉速爲259RPM 扭矩1Nm 在通過齒輪組的轉換後 它將會輸出1RPM的轉速與259Nm的扭矩 自此你就實現了從高轉速低扭矩 到低轉速高扭矩的動量轉換 在伺服電機內部還有一個小型電路板 作用是控制電機的旋轉狀態和旋轉方向 電路板頂部是個電位器 俗稱可變電阻器 它與伺服電機最終的輸出齒輪相連接 當齒輪旋轉時會帶動電位器旋轉 從而改變了電路中的電阻 此時電路板就能根據電阻值瞭解到齒輪的位置 並以此來控制伺服電機的工作狀態 好了 瞭解完伺服電機的結構 接下來咱們一起看看它是如何工作的 其實這個過程非常簡單 控制器負責發出信號 然後電機再根據信號旋轉到指定位置 通常我們可以選擇Arduino這樣的開發板做控制器 也可以用這種簡單的伺服測試儀 它們所提供的信號都是一種脈衝寬度調製信號 也就是通過導線發出電壓脈衝 這種脈衝的寬度是可變化的 它類似於手動控制燈的開關 你按住的時間越長 電脈衝的持續時間就越長 這些脈衝每20毫秒發送一次 換算下來就是每秒50個脈衝 即我們常說的50赫茲 你可以用試波器查看脈衝的狀態 其寬度決定了伺服電機的位置 當輸入脈衝的寬度增加時 電機則向右移動 所以我們只需簡單的改變脈衝寬度 就可以讓電機移動到兩點之間的任意位置 想讓它停止 那保持脈衝不變就行了 當我們旋轉伺服控制器的旋鈕時 脈衝的寬度會發生變化 此時伺服電機的位置就會隨之發生變化 並與信號對齊 那如果是增大電壓呢 你會看到脈衝的高度發生了變化 但伺服電機並不會轉 如果將控制器換成Arduino開發版 我們就可以通過程序來控制伺服電機了 當控制器信號進入伺服電路板後 首先會被轉換爲電壓 隨後通過比較器進入電機驅動器 來控制電機旋轉 其旋轉方向可由內部的H橋電路操縱轉換 伺服電機是通過齒輪組帶動負載旋轉的 剛纔我們講過 最末端的齒輪連接有一個電位器 也就是那個可變電阻器 它在旋轉時會改變電路中的電阻 在負載不變的情況下 電阻發生變化就會引起電壓發生變化 所以當我們把電位器與比較器相連後 比較器就會比較電位器的電壓與控制信號的電壓 如果兩者不相同 那麼電機就會轉動直到差值爲0 隨後保持靜止等待下一個變化 此過程相互交替週而復始 而這就是伺服電機完整的工作原理 現如今 智能設備已進入極致控制的時代 伺服電機以自身精確定位 毫秒響應和超強扭矩的特點 牢牢把握着現代工業的運動神經 從機器人 輸控機牀 到航模玩具 它在你的生活中無處不在 但正是這毫釐之間的精準 才讓冰冷的鋼鐵擁有了書寫未來的力量 下課